DE102009003312A1 - Bonding device, ultrasonic transducer and bonding method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bondvorrichtung, insbesondere zur Herstellung von Bondverbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten wie insbesondere von elektrischen Schaltungen, wobei die Bondvorrichtung einen um eine, insbesondere senkrechte, geometrische Drehachse (D) drehbaren Bondkopf (2) aufweist, an dem ein Bondwerkzeug (5) und ein Ultraschalltransducer (35) zur Ultraschall-Schwingungsanregung des Bondwerkzeugs (5) vorgesehen sind. Um eine Bondvorrichtung der eingangs genannten Art vorteilhaft weiterzubilden, wird vorgeschlagen, dass sich die Haupterstreckungsrichtung (36) des Ultraschalltransducers (35) und/oder dessen Erstreckungsrichtung in Richtung der Achse des minimalen Massenträgheitsmoments parallel zu der geometrischen Drehachse (D) des Bondkopfes (2) erstreckt. Gemäß weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ebenfalls eine Bondvorrichtung oder einen Ultraschalltransducer.The invention relates to a bonding device, in particular for the production of bonding connections between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates such as in particular of electrical circuits, wherein the bonding device has a bond head (2) rotatable about a, in particular vertical, geometric axis of rotation (D) on which a bonding tool (5) and an ultrasonic transducer (35) are provided for ultrasonic vibration excitation of the bonding tool (5). In order to further develop a bonding device of the type mentioned initially, it is proposed that the main extension direction (36) of the ultrasound transducer (35) and / or its extension direction in the direction of the axis of minimum moment of inertia be parallel to the geometric axis of rotation (D) of the bondhead (2). extends. In other aspects, the invention also relates to a bonding device or an ultrasonic transducer.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt eine Bondvorrichtung, vorzugsweise zur Herstellung von Bondverbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten wie insbesondere von elektrischen Schaltungen, wobei die Bondvorrichtung einen um eine, vorzugsweise senkrechte, geometrische Drehachse drehbaren Bondkopf aufweist, an dem ein Bondwerkzeug und ein Ultraschall-Transducer zur Ultraschall-Schwingungserregung des Bondwerkzeugs vorgesehen sind.The The present invention relates to a first aspect of a Bonding device, preferably for the production of bonds between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates such as in particular of electrical circuits, wherein the bonding device one around a, preferably vertical, geometric Rotary axis has rotatable bonding head, on which a bonding tool and an ultrasound transducer provided for ultrasonic vibration excitation of the bonding tool are.
Derartige Bondvorrichtungen arbeiten bekanntermaßen in der Weise, dass mittels des Bondwerkzeuges, bei dem es sich in einer gebräuchlichen Ausführungsform um ein sog. Wedge handeln kann, ein zu bondender Bereich eines elektrischen Leiters, bspw. eines Aluminium- oder eines Golddrahtes, mit einer bestimmten Druckkraft gegen eine gewünschte Kontaktstelle eines Substrats, bspw. einer elektrischen Schaltung, angedrückt wird, während das Bondwerkzeug quer zu der Andruckrichtung Ultraschallschwingungen ausführt und auf den Leiter überträgt, bis eine bleibende sog. Bondverbindung zwischen Leiter und Kontaktstelle hergestellt ist. Zur Ultraschall-Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges dienen sog. Ultraschall-Transducer (d. h. Ultraschall-Wandler), die als Schwingungserreger herkömmlich Stapel aus scheibenförmigen Piezoelementen aufweisen. An die Piezoelemente wird herkömmlich in der Weise Wechselspannung angelegt, dass die Piezoelemente überwiegend senkrecht zu ihrer Scheibenebene und somit auch die Piezoelement-Stapel in deren Stapel-Längsrichtung zeitlich abwechselnd Längendehnungen und -stauchungen ausführen. Diese periodischen Längenänderungen regen herkömmlich auch die Werkzeugaufnahme des Bondwerkzeuges zu mechanischen Längsschwingungen in diese Richtung der Längenänderungen an. Als Werkzeugaufnahme wird häufig ein auch in dieser gleichen Richtung langgestreck tes und sich konisch verjüngendes sog. Horn eingesetzt, an dessen Spitze das Bondwerkzeug eingesetzt und bspw. mit einer Klemmschraube gehalten ist, so dass es sich dabei mit seiner Werkzeuglängsachse senkrecht zu der Transducer-Längsachse, d. h. senkrecht zu der Schwingungsrichtung erstreckt. Infolge dessen führt auch die Werkzeugspitze eine oszillierende Bewegung quer zu der Werkzeug-Längsachse aus, die zur Herstellung der Bondverbindung ausgenutzt wird. Bondvorrichtungen mit derartigen Ultraschall-Transducern bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile. Andererseits besteht häufig das Erfordernis, auf engem Raum zahlreiche Bondverbindungen zu erstellen, wobei der sog. Bondkopf, d. h. die Baugruppe der Bondvorrichtung, an der das Bondwerkzeug und der Ultraschall-Transducer (sowie in der Regel eine sog. Drahtführung und bei sog. Dickdrahtbondern ggf. ein Schneidwerkzeug) angebracht sind, schnelle Drehbewegungen um eine vertikal orientierte geometrische Drehachse ausführen muss. Dabei wird als einschränkend angesehen, dass ein mit einem herkömmlichen Ultraschall-Transducer bestückter Bondkopf funktions- und dadurch bauartbedingt ein großes Massenträgheitsmoment aufweist, das die Bondkopfdrehung erschwert bzw. zu großen Drehantrieben zwingt.such Bonding devices are known to work in such a way that means the bonding tool, in which it is in a common embodiment may be a so-called wedge, an area of an electric field to be bonded Ladder, for example. An aluminum or a gold wire, with a certain pressure force against a desired contact point of a Substrate, for example an electrical circuit, is pressed, while the bonding tool transverse to the direction of pressure ultrasonic vibrations carries and transfers to the conductor until a permanent so-called bond connection between conductor and contact point is made. For ultrasonic vibration excitation of the bonding tool serve so-called ultrasonic transducers (i.e. Vibration generator conventional Stack of disc-shaped Have piezo elements. To the piezo elements is conventionally in the way AC voltage applied that the piezo elements predominantly perpendicular to its disc plane and thus also the piezo element stack in their stacking direction alternating in time length expansions and upsetting. These periodic length changes rain conventional also the tool holder of the bonding tool to mechanical longitudinal vibrations in this direction of length changes at. As a tool holder becomes common an elongated in this same direction and conical tapered so-called horn used, at the top of the bonding tool used and, for example, held with a clamping screw so that it is with its tool longitudinal axis perpendicular to the transducer longitudinal axis, d. H. extends perpendicular to the direction of vibration. Consequently leads as well the tool tip an oscillating movement transverse to the tool longitudinal axis from, which is exploited for the preparation of the bond. Bond devices With such ultrasonic transducers offer numerous applications and benefits. On the other hand, there is often the need to work in a narrow Space to create numerous bonds, the so-called bondhead, d. H. the assembly of the bonding device to which the bonding tool and the ultrasonic transducer (and usually a so-called. Wire guide and at so-called. Dickdrahtbondern possibly a cutting tool) are attached, fast rotational movements around a vertically oriented geometric Execute the rotation axis got to. It is considered restrictive Consider that one with a conventional ultrasonic transducer stocked Bond head functional and thus design a large moment of inertia has, which impedes the Bondkopfdrehung or to large rotary actuators forces.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Bondvorrichtung der eingangs genannten Art vorteilhaft weiterzubilden, so dass insbesondere die vorgenannten Nachteile möglichst weitgehend vermieden werden.In front In this background, the invention is first based on the object, develop a bonding device of the type mentioned advantageous, so that in particular the aforementioned disadvantages possible be largely avoided.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen in Verbindung mit dem Merkmal gelöst, dass sich die Haupterstreckungsrichtung des Ultraschall-Transducers und/oder dessen Erstreckungsrichtung in Richtung der geometrischen Achse des minimalen Massenträgheitsmoments parallel (mit oder ohne seitlichen Abstand) zu der geometrischen Drehachse des Bondkopfes erstreckt. Bei der besagten Haupterstreckungsrichtung handelt es sich um die Erstreckungsrichtung des Ultraschall-Transducers, in welcher er bei Vergleich seiner Erstreckungsrichtungen die größten Abmessungen aufweist. Auch bei der angesprochenen Drehachse des Bondkopfes handelt es sich primär um eine geometrische, d. h. nicht notwendig um eine bauliche Achse. Durch die gewählte Lösung wird erfindungsgemäß erreicht, dass das Massenträgheitsmoment um die geometrische Bondkopfdrehachse im Vergleich zu herkömmlichen Bondvorrichtungen, bei denen sich die Haupterstreckungsrichtung des Ultraschall-Transducers senkrecht zur geometrischen Drehachse des Bondkopfes erstreckt, verringert wird. Auf diese Weise lassen sich schnellere Drehungen des Bondkopfes um dessen senkrechte geometrische Drehachse erreichen bzw. werden für den Drehantrieb nur vergleichsweise kleinere Antriebe benötigt.The Task is according to the invention first and essentially solved in conjunction with the feature that the main extension direction of the ultrasonic transducer and / or Its extension direction in the direction of the geometric axis of the minimum mass moment of inertia parallel (with or without lateral spacing) to the geometric Rotary axis of the bonding head extends. In the said main extension direction it is the extension direction of the ultrasonic transducer, in which he the largest dimensions when comparing its extension directions having. Also with the mentioned axis of rotation of the bondhead acts it is primary around a geometric, d. H. not necessarily a structural axis. By the chosen one solution is achieved according to the invention, that the moment of inertia around the geometric Bondkopfdrehachse compared to conventional Bonding devices, in which the main extension direction of the ultrasonic transducer perpendicular to the geometric axis of rotation of the bonding head is reduced. Let that way faster rotations of the bondhead around its vertical geometric Reach or only be comparatively for the rotary actuator smaller drives needed.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Ultraschall-Transducer, insbesondere für eine Bondvorrichtung zur Ultraschall-Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges der Bondvorrichtung, wobei der Ultraschall-Transducer zumindest einen Schwingungserreger umfasst und der Schwingungserreger zumindest ein Piezoelement aufweist und wobei eine Ultraschallenergiequelle, insbesondere eine Spannungsquelle zum Anlegen von elektrischer Wechselspannung an das Piezoelement, vorgesehen ist.According to one second aspect, the present invention relates to an ultrasonic transducer, especially for a bonding device for ultrasonic vibration excitation of the bonding tool of Bonding device, wherein the ultrasonic transducer at least one Vibration generator comprises and the vibration exciter at least a piezoelectric element and wherein an ultrasonic energy source, in particular a voltage source for applying alternating electrical voltage to the piezoelectric element, is provided.
Ausgehend von dem eingangs erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung insofern die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Ultraschall-Transducer vorteilhaft weiterzubilden, so dass sich insbesondere herstellungstechnisch und/oder gebrauchstechnisch Vorteile erreichen lassen.Based on the state of the art explained in the introduction, the invention is based on the object of further developing such an ultrasonic transducer so that can be achieved in particular manufacturing technology and / or technical benefits.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung zunächst und im wesentlichen und in Verbindung mit den Merkmalen gelöst, dass die Ultraschallenergiequelle, insbesondere die Spannungsquelle, vorzugsweise deren Frequenz, wie insbesondere Spannungsfrequenz, daran angepasst oder so einstellbar ist, dass sich im Betrieb, insbesondere beim Anliegen der Wechselspannung, die Hauptverformungsrichtung des Schwingungserregers und/oder die Hauptverformungsrichtung des Piezoelementes quer bzw. senkrecht zur Polarisationsrichtung des Piezoelements erstreckt. Dabei handelt es sich um eine grundlegende Abkehr von herkömmlichen Transducer-Ausführungen, bei denen die Hauptverformungsrichtung des Schwingungserregers (beispielsweise eines Stapels aus Piezoelementscheiben) bzw. die Hauptverformungsrichtung der Piezoelemente selbst parallel zur Polarisationsrichtung der Piezoelemente liegt. Unter der Hauptverformungsrichtung wird dabei die Raumrichtung verstanden, in der die im Vergleich zu anderen Richtungen größten Verformungen (also Stauchungen und Dehnungen) zufolge der anliegenden elektrischen Wechselspannung hervorgerufen werden. Bei der Polarisationsrichtung handelt es sich um eine dem Piezoelement fest zugeordnete, in eine bestimmte Richtung weisende Orientierung, die bei der Herstellung von Piezoelementen durch Ausrichtung von Dipolen in einem elektrischen Feld eingeprägt wird und nach der Herstellung zum Großteil erhalten bleibt (sog. remanente Polarisation). Beim Anlegen einer Wechselspannung an das Piezoelement erfährt dieses im allgemeinen abwechselnd Stauchungen und Dehnungen in sämtlichen Raumrichtungen, wobei das jeweilige Ausmaß bzw. der Betrag in den verschiedenen Raumrichtungen im allgemeinen unterschiedlich ausfällt. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass es bestimmte Wechselspannungsfrequenzen gibt, die in einer jeweils einzelnen zugeordneten Raumrichtung (bzw. geometrischen Körperachse) zu einer im Vergleich zu den übrigen Raumrichtung betragsmäßig größeren Längenänderung führen, wobei diese Frequenzen auch abhängig von der Form und den Abmessungen des Piezoelementes sowie unter Umständen der angrenzenden bzw. mitschwingenden Bauteile sind. Erfindungsgemäß lassen sich durch die vorgeschlagene Lösung insbesondere bei Verwendung scheibenförmiger bzw. dünner Piezoelemente, deren Polarisationsrichtung sich senkrecht bzw. quer zu der Scheibenebene erstreckt, bei vorgegebener Spannung vergleichsweise hohe Feldstärken und dadurch hohe, durch die Formänderungen übertragbare Kräfte erzeugen. Hinzu kommt als Vorteil, dass mehr Freiheit bei der Auslegung von Transducern gewonnen wird und eine einfache Montage der Piezoelemente ermöglicht wird. Die Erfindung schließt insofern auch eine Bondvorrichtung, vorzugsweise zur Herstellung von Bondverbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten wie vorzugsweise von elektrischen Schaltungen, mit ein, die einen Bondkopf aufweist, der ein Bondwerkzeug und einen Ultraschall-Transducer gemäß der vorangehend beschriebenen Ausführung aufweist.These Task is according to the invention first and solved essentially and in conjunction with the features that the ultrasonic energy source, in particular the voltage source, preferably their frequency, in particular voltage frequency, adapted thereto or is adjustable so that in operation, in particular when applying the AC voltage, the main deformation direction of the vibration generator and / or the main deformation direction of Piezoelementes transverse or perpendicular to the polarization direction of the Piezoelectric element extends. This is a basic one Departure from conventional Transducer versions, in which the main deformation direction of the vibration exciter (for example, a Stack of piezoelectric element disks) or the main deformation direction the piezo elements themselves parallel to the polarization direction of Piezo elements is located. Under the main deformation direction is the Understood spatial direction in which the compared to other directions largest deformations (ie compressions and strains) according to the applied electrical AC voltage can be caused. In the polarization direction it is a dedicated to the piezo element, in a certain Directional orientation in the production of piezoelectric elements is impressed by alignment of dipoles in an electric field and after the production remains largely (so-called. remanent polarization). When applying an AC voltage to the Piezoelement undergoes this generally alternating upsets and strains in all Spatial directions, whereby the respective extent or the amount in the different Spaces in general varies differently. The Invention is based on the recognition that there are certain AC frequencies exist in a respective individual assigned spatial direction (or geometric body axis) at one compared to the rest Spatial direction amount greater change in length to lead, these frequencies are also dependent on the shape and dimensions of the piezoelectric element and under circumstances the adjacent or resonant components are. According to the invention through the proposed solution in particular when using disk-shaped or thin piezoelements, whose polarization direction is perpendicular or transverse to the disk plane extends, for a given voltage comparatively high field strengths and thereby high transferable by the changes in shape personnel produce. Added to this is the advantage that more freedom in the design is obtained by transducers and a simple assembly of the piezo elements allows becomes. The invention concludes in this respect also a bonding device, preferably for the production of Bond connections between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates such as preferably of electrical circuits, with a bonding head having a bonding tool and a Ultrasonic Transducer according to the preceding described embodiment having.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung einen Ultraschall-Transducer zur Ultraschall-Schwingungsanregung eines Bondwerkzeuges, wobei der Ultraschall-Transducer zumindest zwei voneinander beabstandet an einer Werkzeugaufnahme angreifende Schwingungserreger aufweist und wobei zumindest eine Ultraschallenergiequelle zur Versorgung der Schwingungserreger, insbesondere zumindest eine Spannungsquelle zum Anlegen von elektrischer Wechselspannung an die Schwingungserreger, vorgesehen ist.According to one Third aspect, the invention relates to an ultrasonic transducer for ultrasonic vibration excitation a bonding tool, wherein the ultrasonic transducer at least two spaced from each other on a tool holder attacking vibration exciter and wherein at least one ultrasonic energy source for supply the vibration exciter, in particular at least one voltage source for applying electrical alternating voltage to the vibration exciter, is provided.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Weiterbildung einer solchen Bondvorrichtung bereitzustellen.From that Based on the object of the invention, an advantageous To provide development of such a bonding device.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zunächst und im wesentlichen in Verbindung mit den Merkmalen gelöst, dass eine oder mehrere Ultraschallenergiequellen, insbesondere die Spannungsquelle oder die Spannungsquellen, vorzugsweise die Frequenz und/oder die Phasenlage beispielsweise der davon erzeugten Wechselspannung oder Wechselspannungen, in der Weise auf den Aufbau der Schwingungserreger abgestimmt oder darauf abstimmbar ist, dass im Betrieb, insbesondere bei anliegender Wechselspannung, die Hauptverformungsrichtungen der beiden Schwingungserreger zueinander parallel oder im wesentlichen parallel verlaufen und die sich zeitlich ändernden Verformungen der beiden Schwingungserreger zueinander phasenverschoben, vorzugsweise um eine halbe Periode, also um 180° phasenverschoben, ablaufen bzw. resultieren. Der Begriff Periode wird hier anstelle oder gleichwertig für den Begriff Phasenlänge verwendet, und eine Phasenverschiebung um 180° (Gegenphase) läge bei einer Phasenverschiebung um die halbe Phasenlänge vor. Betreffend den dritten Aspekt umfasst die Erfindung auch eine Bondvorrichtung, vorzugsweise zur Herstellung von Bondverbindungen zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten, wie vorzugsweise von elektrischen Schaltungen, wobei die Bondvorrichtung einen Bondkopf aufweist, an dem ein in einer Werkzeugaufnahme aufgenommenes Bondwerkzeug, bei dem es sich vorzugsweise um ein Wedge handelt, und der zuvor beschriebene erfindungsgemäße Ultraschalltransducer vorgesehen sind. Indem mehrere, vorzugsweise zwei, voneinander beabstandet an der Werkzeugaufnahme angreifende Piezoelemente verschiedene Zeit Verformungs-Verläufe aufweisen, führt die Werkzeugaufnahme eine oszillierende Drehbewegung aus und überträgt diese auf das darin aufgenommene Ende des vorzugsweise langgestreckten Bondwerkzeuges. Durch den sich periodisch ändernden Verdrehwinkel der Werkzeugaufnahme bzw. durch das dadurch in das Bondwerkzeug eingeleitete oszillierende Drehmoment wird das Bondwerkzeug zu Transversalschwingungen, d. h. zu Schwingungen senkrecht bzw. quer zu seiner Längsausdehnung bzw. Haupterstreckungsrichtung angeregt. Diese auch als Biegeschwingung oder Querschwingung bezeichnete Schwingung wird aber abweichend vom Stand der Technik nicht am Ort eines sog. Schwingungsbauches, sondern vorzugsweise am Ort eines sog. Schwingungsknotens der frequenzabhängigen Schwingungsform (auch Schwingungsmode) angeregt. Die Transversalschwingung erfasst das gesamte Bondwerkzeug und bewirkt bei geeigneter Auslegung bzw. Gestaltung des Bondwerkzeuges, dass auch dessen Werkzeugspitze Schwingungen quer zur Werkzeuglängsrichtung ausführt, die auf einen elektrischen Leiter zur Herstellung einer Bondverbindung durch Andrücken des Bondwerkzeugs übertragen werden können.According to the invention, the object is achieved initially and essentially in conjunction with the features that one or more ultrasonic energy sources, in particular the voltage source or the voltage sources, preferably the frequency and / or the phase position, for example, the AC voltage or AC voltages generated thereof, in the manner of the structure the oscillation exciter is tuned or tunable to the fact that in operation, especially with applied AC voltage, the main deformation directions of the two oscillators parallel or substantially parallel to each other and the time-varying deformation of the two oscillators phase-shifted, preferably by half a period, ie 180 ° out of phase, expire or result. The term period is used here instead of or equivalently for the term phase length, and a phase shift of 180 ° (opposite phase) would be present at a phase shift by half the phase length. With regard to the third aspect, the invention also encompasses a bonding device, preferably for producing bonded connections between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates, such as preferably electrical circuits, wherein the bonding device has a bonding head to which a bonding tool received in a tool receptacle , which is preferably a wedge, and the above-described ultrasonic transducer according to the invention are provided. By a plurality of, preferably two, spaced from each other on the tool holder engaging piezoelectric elements have different time deformation profiles, the tool holder performs an oscillating rotation movement and transmits them to the received therein end of the preferably elongated bonding tool. Due to the periodically changing angle of rotation of the tool holder or by the oscillating torque introduced thereby into the bonding tool, the bonding tool is excited to transverse oscillations, ie to oscillations perpendicularly or transversely to its longitudinal extension or main extension direction. This oscillation, which is also referred to as flexural vibration or transverse vibration, is, unlike the prior art, not excited at the location of a so-called antinode, but preferably at the location of a so-called oscillation node of the frequency-dependent oscillation mode (also oscillation mode). The transverse vibration detects the entire bonding tool and, with a suitable design or design of the bonding tool, also causes its tool tip to execute vibrations transversely to the tool longitudinal direction which can be transmitted to an electrical conductor for producing a bond connection by pressing on the bonding tool.
Es versteht sich, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Kombinationen der Lösungsmerkmale von jeweils zwei oder sämtlichen der drei zuvor erläuterten Erfindungsaspekte möglich sind. Als Piezoelemente können prinzipiell alle für Piezo-Aktoren bekannten Piezoelementtypen eingesetzt werden, wobei die Verwendung piezoelektrischer Keramiken oder piezoelektrischer Kristalle bevorzugt ist.It It is understood that in the context of the present invention, combinations the solution characteristics of two or all of the three previously explained Invention aspects possible are. As piezo elements can in principle all for Piezo actuators known piezoelectric element types are used, wherein the use of piezoelectric ceramics or piezoelectric Crystals is preferred.
Insbesondere in Verbindung mit dem ersten Aspekt der Erfindung ist bevorzugt, dass sich die geometrische Längsmittellinie des Ultraschall-Transducers parallel zu der geometrischen Drehachse des Bondkopfes und/oder parallel zu der Längsmittellinie des Bondwerkzeuges erstreckt. Auf diese Weise kann das Massenträgheitsmoment um die Bondkopfdrehachse minimiert werden. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Ultraschall-Transducer zumindest einen Schwingungserreger, vorzugsweise zwei zueinander parallel verlaufende Schwingungserreger, umfasst, wobei jeder Schwingungserreger zumindest ein Piezoelement, vorzugsweise jeweils zwei Piezoelemente, aufweist, wobei jedes Piezoelement eine Haupterstreckungsrichtung besitzt, die sich parallel zu der geometrischen Drehachse des Bondkopfes erstreckt. Der Begriff Haupterstreckungsrichtung bedeutet dabei, dass die Abmessung des Piezoelementes in dieser Richtung größer als in andere Richtungen ist.Especially in connection with the first aspect of the invention is preferred that the geometric longitudinal center line of the ultrasonic transducer parallel to the geometric axis of rotation the bondhead and / or parallel to the longitudinal centerline of the bonding tool extends. In this way, the mass moment of inertia about the bondhead axis of rotation be minimized. There is also the possibility that the ultrasound transducer at least one vibration exciter, preferably two to each other parallel vibration exciter, comprising, each vibration exciter at least one piezo element, preferably in each case two piezo elements, wherein each piezoelectric element has a main extension direction has, which extends parallel to the geometric axis of rotation of the bonding head. The term main extension direction means that the dimension of the piezoelectric element in this direction larger than in other directions is.
Insbesondere in Verbindung mit dem zweiten genannten Aspekt der Erfindung ist bevorzugt, dass die Ultraschallenergiequellen, insbesondere die Spannungsquelle, vorzugsweise deren Spannungsfrequenz, so angepasst oder so einstellbar ist, dass sich bei Anliegen der Wechselspannung die Hauptverformungsrichtung des Schwingungserregers und/oder die Hauptverformungsrichtung des bzw. der Piezoelemente in die Haupterstreckungsrichtung des bzw. der Piezoelemente erstreckt.Especially in conjunction with the second aspect of the invention preferred that the ultrasonic energy sources, in particular the voltage source, preferably their voltage frequency, adjusted or so adjustable is that when concerns the AC voltage, the main deformation direction of the vibration generator and / or the main deformation direction of or the piezoelectric elements in the main direction of extension of or the piezo elements extends.
Insbesondere in Verbindung mit dem dritten Erfindungsaspekt ist bevorzugt, dass die Gestaltung der mittels des Ultraschall-Transducers zu Schwingungen anregbaren Komponenten des Bondkopfes und die Wechselspannung, insbesondere deren Frequenz, so aufeinander abgestimmt oder abstimmbar sind, dass der Drehpunkt und insbesondere der Momentanpol der Werkzeugaufnahme sich lagemäßig an einem Schwingungsknoten des Bondwerkzeuges befindet.Especially in connection with the third aspect of the invention is preferred that the design of the means of the ultrasonic transducer to oscillate excitable components of the bonding head and the AC voltage, in particular whose frequency are so coordinated or tunable, that the fulcrum and in particular the instantaneous pole of the tool holder in position on one Vibration node of the bonding tool is located.
Hinsichtlich der vorgenannten Erfindungsaspekte besteht auch die Möglichkeit, dass die Frequenz an der Ultraschallenergiequelle, vorzugsweise die Spannungsfrequenz an der Spannungsquelle, so vorgewählt ist oder so einstellbar ist, dass sie einer Resonanzfrequenz, bevorzugt der niedrigsten bzw. ersten Resonanzfrequenz, d. h. der ersten Eigenmode, der bei anliegender Wechselspannung schwingenden Baugruppe, die den Ultraschall-Transducer, die Werkzeugaufnahme und das Werkzeug umfasst, genau oder in etwa entspricht. Vorzugsweise kann das schwingende System mit dem Bondwerkzeug in seiner ersten Eigenfrequenz und somit in seiner zugeordneten ersten Eigenform zu Schwingungen angeregt werden, es wäre aber auch eine Schwingungsanregung für die beispielsweise zweite, dritte usw. Eigenfrequenz/Eigenform möglich. Eine zweckmäßige Ausgestaltung wird darin gesehen, dass ein oder mehrere Piezoelemente jeweils die Form einer rechteckig berandeten Scheibe aufweist bzw. aufweisen, wobei die Kantenlängen der Rechteckkontur größer als die Dicke der Scheibe sind und wobei die Polarisationsrichtung jedes Piezoelementes in Bezug auf seine Scheibenebene quer bzw. senkrecht dazu orientiert ist.Regarding The above aspects of the invention also provide the possibility that the frequency at the ultrasonic energy source, preferably the Voltage frequency at the voltage source, so preselected or is adjustable to be a resonant frequency the lowest or first resonance frequency, d. H. the first eigenmode, the oscillating at applied AC voltage assembly, the the ultrasonic transducer, the tool holder and the tool includes, exactly or roughly corresponds. Preferably, the oscillatory System with the bonding tool in its first natural frequency and thus excited in its associated first eigenform to vibrate be, it would be but also a vibration excitation for example, second, third, etc. natural frequency / eigenform possible. An expedient embodiment is seen in that one or more piezo elements each has or have the shape of a rectangular bordered disc, where the edge lengths the rectangular contour is larger than the thickness of the disk are and where the polarization direction of each Piezoelementes with respect to its disc plane transversely or vertically is oriented to it.
Zur Einleitung eines oszillierenden Drehmoments in die Werkzeugaufnahme bzw. in das Bondwerkzeug ist bevorzugt, dass der Ultraschall-Transducer zumindest zwei zueinander parallel angeordnete Schwingungserreger aufweist, wobei jeder Schwingungserreger einen Piezoelementträger und zwei gleichartige Piezoelemente aufweist, die flächig auf zwei einander abgewandt gegenü berliegenden und zueinander parallelen Oberflächen des Piezoelementträgers befestigt, vorzugsweise darauf flächig aufgeklebt, sind. Dadurch und in Verbindung mit der gewählten Wechselspannungsfrequenz lässt sich erreichen, dass praktisch nur die Längenänderung der Piezoelemente in deren Haupterstreckungsrichtung für die Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges genutzt wird. Durch die flächige Befestigung der Piezoelemente wird auch das Piezoträgerelement, das vorzugsweise aus Metall wie bspw. Stahl oder Titan bestehen kann, entsprechend verformt. Jeder Schwingungserreger weist somit eine sandwichartige Anordnung eines zentralen Piezoelementträgers zwischen zwei gegenüberliegenden Piezoelementen auf. In Verbindung damit und der genannten Parallelanordnung zweier solcher Schwingungserreger ist bevorzugt, dass die Polarisationsrichtung von Piezoelementen, die Bestandteil des gleichen Schwingungserregers sind, richtungsmäßig zueinander entgegengesetzt gerichtet verlaufen, also quasi entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen. In Verbindung damit ist auch bevorzugt, dass die Polarisationsrichtungen der beiden Piezoelemente, die auf den einen der beiden Piezoelementträger aufgebracht sind, richtungsmäßig orthogonal von der Oberfläche des Piezoelementträgers weggerichtet sind, und dass die Polarisationsrichtungen der beiden Piezoelemente, die auf den anderen der beiden Piezoelementträger aufgebracht sind, richtungsmäßig orthogonal zu der Oberfläche des Piezoelementträgers hingerichtet sind. Mit den zuvor genannten Merkmalen können die gewünschten unterschiedlichen und insbesondere gegenläufigen Längenänderungen der beiden Schwingungserreger schaltungstechnisch besonders einfach verwirklicht werden, indem an sämtliche Piezoelemente die gleiche bzw. selbe, also auch phasengleiche, Wechselspannung angelegt und die Piezoelementträger zum Beispiel geerdet werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass die Piezoelemente einfach auf ihrer freien, dem Piezoelementträger abgewandten Oberfläche bspw. mittels Lötstellen an die Ultraschallenergiequelle, insbesondere an die Spannungsquelle, angeschlossen sind. Es kann somit eine Ultraschallenergiequelle bzw. Spannungsquelle verwendet werden, die nur eine ein zige Wechselspannung bspw. der Form u(t) = Ucos(ωt) bereitstellt, die an sämtliche Piezoelemente angelegt wird, beispielsweise indem die Anschlussleitungen aller Piezoelemente zueinander parallel geschaltet sind. Eine im Hinblick auf die zuvor beschriebene Wirkungsweise vorteilhafte mögliche Anordnung wird darin gesehen, dass sich die geometrische Längsachse des Bondwerkzeuges parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Piezoelemente und/oder entlang der geometrischen Drehachse des Bondkopfes erstreckt. Bei einer bevorzugten platzsparenden und stabilen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwei Piezoelementträger vorgesehen sind, die Bestandteile eines gemeinsamen einstückigen Transducerkörpers sind, an welchem vorzugsweise auch die Werkzeugaufnahme zur Halterung des Bondwerkzeuges einstückig ausgebildet ist. In diesem Sinne ist auch bevorzugt, dass der Transducerkörper integral bzw. einstückig eine Haltegabel umfasst, deren Haltearme an ihrem Längsende an jeweils einem Piezoelementträger in dessen Längsmittelbereich angreifen.To initiate an oscillating torque in the tool holder or in the bonding tool is preferred that the ultrasonic transducer has at least two mutually parallel vibration exciters, each vibration exciter has a piezoelectric element and two similar piezoelectric elements facing away from each other on two opposite gegenü and lying to each other attached to parallel surfaces of the piezoelectric element carrier, preferably glued thereto flat, are. As a result, and in conjunction with the selected AC voltage frequency, it can be achieved that practically only the change in length of the piezoelectric elements in their main extension direction is used for the vibration excitation of the bonding tool. Due to the planar attachment of the piezoelectric elements and the piezoelectric carrier element, the preferably made of metal such as. Steel or titanium may consist, deformed accordingly. Each vibration exciter thus has a sandwich-like arrangement of a central piezoelectric element carrier between two opposite piezoelectric elements. In connection therewith and the said parallel arrangement of two such vibration exciters, it is preferred that the polarization direction of piezoelectric elements which are part of the same vibration exciter be directionally opposite to one another in directional terms, that is to say have quasi opposite signs. In connection therewith, it is also preferred that the polarization directions of the two piezo elements, which are applied to one of the two piezoelectric element carriers, are directionally orthogonal away from the surface of the piezoelectric element carrier, and that the polarization directions of the two piezoelectric elements applied to the other of the two piezoelectric element carriers are directionally orthogonal to the surface of the Piezoelementträgers executed. With the aforementioned features, the desired different and in particular opposite changes in length of the two vibration exciters can be realized particularly simple circuit technology by applying the same or the same, ie in-phase, AC voltage to all the piezo elements and the piezo element carriers are grounded, for example. In particular, there is the possibility that the piezoelectric elements are simply connected, for example, on their free surface remote from the piezoelectric element carrier by means of soldering points to the ultrasonic energy source, in particular to the voltage source. It is thus possible to use an ultrasound energy source or voltage source which provides only a single AC voltage, for example, the form u (t) = Ucos (ωt), which is applied to all the piezo elements, for example by the connecting lines of all the piezo elements being connected in parallel to one another. A possible arrangement which is advantageous with regard to the previously described mode of action is seen in that the geometric longitudinal axis of the bonding tool extends parallel to the main extension direction of the piezoelements and / or along the geometric axis of rotation of the bondhead. In a preferred space-saving and stable embodiment, it is provided that two piezoelectric element carriers are provided, which are components of a common one-piece transducer body, on which preferably also the tool holder for holding the bonding tool is formed in one piece. In this sense, it is also preferred that the transducer body integrally or integrally comprises a holding fork, the holding arms of which engage at their longitudinal end on a respective piezoelectric element carrier in its longitudinal central region.
Die Erfindung betrifft auch einen Ultraschalltransducer, aufweisend zumindest einen Transducerkörper und zumindest ein Schwingungserregungselement, das mit dem Transducerkörper in einer zur Übertragung der von ihm erzeugten Schwingungen auf den Transducerkörper geeigneten Weise verbunden ist, und schlägt zur vorteilhaften Weiterbildung vor, dass der Ultraschalltransducer, vorzugsweise mit an dessen Werkzeugaufnahme montiertem Bondwerkzeug, eine Schwingungsmode aufweist, deren Schwingungsform im Montagepunkt des Bondwerkzeuges eine rotatorisch oszillierende Bewegung um zumindest eine Rotationsachse bewirkt. Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass das Schwingungserregungselement an dem Transducerkörper kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig befestigt ist. Bevorzugt ist auch, dass die oszillierende rotatorische Bewegung um zumindest eine zur Längsachse des Bondwerkzeuges senkrechte oder zumindest im wesentlichen senkrechte gedachte bzw. geometrische Drehachse orientiert ist. In weiterer Einzelheit besteht die Möglichkeit, dass durch die geometrische Längsachse des Bondwerkzeuges oder eine dazu parallele geometrische Linie und durch die besagte Drehachse eine gedachte bzw. geometrische Bezugsebene aufgespannt wird, dass das zumindest eine Schwingungserregungselement von der Bezugsebene seitlich beabstandet angeordnet ist und dass die vom Schwingungserregungselement auf den Transducerkörper ausgeübte Kraft in oder im wesentlichen in Richtung bzw. parallel zu der (als verlängert gedachten) Längsachse des Bondwerkzeuges wirkt. Als zweckmäßig wird angesehen, dass zumindest zwei von der Bezugsebene seitlich beabstandete Schwingungserregungselemente vorhanden sind, die bezogen auf die Bezugsebene zueinander gegenüberliegend angeordnet sind. Eine weitere mögliche Ausgestaltung sieht vor, dass eine oder mehrere Ultraschallenergiequellen, vorzugsweise eine oder mehrere Spannungs- oder Stromquellen, vorgesehen sind zur Energieversorgung der Schwingungserregungselemente, die derart mit den Schwingungserregungselementen verbunden sind, dass diese eine zueinander um 180° phasenverschobene Schwingung ausüben.The The invention also relates to an ultrasonic transducer comprising at least one transducer body and at least one vibration excitation element connected to the transducer body in one for transmission the vibrations it generates on the transducer body Way, and beats to the advantageous development that the ultrasonic transducer, preferably with a bonding tool mounted on its tool holder, has a vibration mode whose waveform in the mounting point of the bonding tool a rotationally oscillating movement about at least causes a rotation axis. A preferred development is seen in that the vibration excitation element on the transducer body frictionally and / or positive fit and / or cohesively is attached. It is also preferred that the oscillatory rotational Movement about at least one to the longitudinal axis the bonding tool perpendicular or at least substantially vertical imaginary or geometric axis of rotation is oriented. In further Particular there is the possibility that by the geometric longitudinal axis of Bondwerkzeuges or a parallel geometric line and through said axis of rotation an imaginary or geometric reference plane is spanned, that the at least one vibration excitation element is arranged laterally spaced from the reference plane and that the force exerted by the vibration excitation element on the transducer body force in or substantially in the direction of or parallel to the (intended to be elongated) longitudinal axis the bonding tool acts. It is considered appropriate that at least two laterally spaced from the reference plane vibration excitation elements are present, with respect to the reference plane opposite each other are arranged. Another possible Embodiment provides that one or more ultrasonic energy sources, preferably one or more voltage or current sources provided are for powering the vibration excitation elements, the are connected to the vibration excitation elements such that this one to each other by 180 ° out of phase Exercise vibration.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass auf jeder Seite der Bezugsebene zumindest zwei Schwingungserregungselemente angeordnet sind, wobei auf beiden bzw. verschiedenen Seiten der Bezugsebene angeordnete Schwingungserregungselemente einander paarweise gegenüberliegen, wobei auf der gleichen Seite der Bezugsebene zueinander benachbarte Schwingungserregungselemente derart mit der oder den Energiequellen verbunden sind, dass sie zueinander um 180° phasenverschobene Schwingungen ausüben, und wobei einander paarweise bezüglich der Bezugsebene gegenüberliegende Schwingungserregungselemente derart mit der oder den Ultraschallenergiequellen verbunden sind, das sie zueinander um 180° phasenverschobene Schwingungen ausüben. Eine kompakte Bauform, die insbesondere auch hinsichtlich eines möglichst geringen Massenträgheitsmomentes um die Werkzeuglängsachse vorteilhaft ist, wird dadurch erreicht, dass jeweils zumindest zwei auf der gleichen Seite der Bezugsebene angeordnete Schwingungserre gungselemente in Richtung der geometrischen Längsachse des Bondwerkzeuges hintereinander angeordnet sind. Es besteht hier die Möglichkeit, dass der Transducerkörper nur einen Schwingungserregungselementträger umfasst und dass die Schwingungserregungselemente, vorzugsweise sämtliche Schwingungserregungselemente, unter Bildung nur eines einzigen Schwingungserregers an zwei gegenüberliegenden, voneinander abgewandten Oberflächen des Schwingungserregungselementträgers angeordnet sind, wobei der Schwingungserregungselementträger zumindest im wesentlichen die Form eines rechteckigen Quaders oder einer rechteckigen Platte besitzt. Ein solcher Ultraschalltransducer unterscheidet sich baulich insofern prinzipiell von dem zuvor beschriebenen Ultraschalltransducer mit zwei parallel zueinander angeordneten Schwingungserregern, ermöglicht aber gleichfalls die Einleitung eines oszillierenden Drehmoments in das Bondwerkzeug an dessen Werkzeugaufnahme. Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass als Schwingungserregungselemente jeweils zumindest ein Piezoelement vorgesehen ist, so dass der Transducerkörper nur einen, sämtliche Piezoelemente tragenden Piezoelementträger umfasst, der zumindest im wesentlichen die Form eines rechteckigen Quaders oder einer rechteckigen Platte besitzt.In a preferred embodiment it is provided that on each side of the reference plane at least two vibration excitation elements are arranged, arranged on both or different sides of the reference plane arranged vibration excitation elements in pairs, wherein on the same side of the reference plane to each other adjacent vibration excitation elements with the one or more energy sources are connected to exert mutually 180 ° out of phase oscillations, and wherein pairwise with respect to the reference plane opposite vibration excitation elements are connected to the one or more ultrasonic energy sources such that they mutually 180 ° phase-shifted vibrations ausü ben. A compact design, which is advantageous in particular with regard to the lowest possible moment of inertia about the longitudinal axis of the tool is achieved in that each at least two arranged on the same side of the reference plane Schwingungserre transmission elements are arranged in the direction of the geometric longitudinal axis of the bonding tool behind the other. There is the possibility here that the transducer body comprises only one vibration excitation element carrier and that the vibration excitation elements, preferably all vibration excitation elements, are arranged to form only a single vibration exciter on two opposite, mutually remote surfaces of the vibration excitation element carrier, wherein the vibration excitation element carrier at least substantially the shape of a rectangular Cuboid or a rectangular plate possesses. In principle, such an ultrasound transducer differs structurally from the ultrasound transducer described above with two vibration exciters arranged parallel to one another, but also makes it possible to introduce an oscillating torque into the bonding tool at its tool holder. In one embodiment, it is provided that at least one piezo element is provided as the vibration excitation elements, so that the transducer body comprises only one, all piezo elements supporting piezoelectric element carrier which has at least substantially the shape of a rectangular cuboid or a rectangular plate.
Aus den vorangehenden Ausführungen wird deutlich, dass die von der Erfindung vorgeschlagenen Bondvorrichtungen und deren Ultraschalltransducer wesentlich von den bisher bekannten Bauformen abweichen. Bekannte, beim Ultraschallschweißen üblicherweise eingesetzte Transducer werden von einem Schwingungserzeuger zu Längsschwingungen angeregt, übertragen diese an ein senkrecht zur Schwingungsrichtung angeordnetes Werkzeug und regen dieses zu Biegeschwingungen an. Demgegenüber zielt die vorliegende Erfindung auf eine neue Anordnung, bei der die orthogonale Ausrichtung des Werkzeuges zum Transducer nicht mehr erforderlich ist. Hinsichtlich des Massenträgheitsmoments und des Bauvolumens kann so eine verbesserte Ausführung erreicht werden. Auch lassen sich durch die Verwendung einfacher Kör per (z. B. Platten, Scheiben einfacher Kontur) die Herstellkosten des Transducers verringern und die Montage von Aktoren bzw. Schwingungserregungselementen an dem Transducer vereinfachen. Gemäß den dazu schon beschriebenen Aspekten schlägt die Erfindung vor, dass die Haupterstreckungsrichtung, also die Richtungen der Achse des minimalen Trägheitsmoments des Transducers, und des Werkzeugs identisch sind. Der Transducer wird durch Schwingungserreger bzw. Schwingungserregungselemente zu Schwingungen angeregt, so dass sich für die Betriebsfrequenz eine Schwingungsform ausbildet, die an der Befestigungsstelle des Werkzeuges eine im wesentlichen rotatorische Bewegung ausführt und dadurch das Werkzeug in einem Knoten seiner Schwingungsform zu Biegeschwingungen anregt. Als eine Möglichkeit schlägt die Erfindung vor, dass der Transducer bzw. Transducerkörper im wesentlichen aus zwei gekoppelten Bereichen eines vorzugsweise scheibenförmigen Körpers beliebiger Kontur und ggf. veränderbarer (insbesondere in Erstreckungsrichtung abgestufter) Dicke besteht und mittels Schwingungserregern bzw. Schwingungserregungselementen zu Längsschwingungen angeregt wird, wobei das Werkzeug in der Ebene des scheibenförmigen Körpers schwingt. Vorzugsweise werden mindestens zwei Aktoren (Schwingungserregungselemente) flächig im linken oder rechten Bereich auf gegenüberliegende Außenflächen des Transducers, die parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen, montiert. Eine bevorzugte Montage ist bspw. das Aufkleben der Aktoren, grundsätzlich kommen hier aber alternativ oder kombinativ kraftschlüssige, formschlüssige und stoffschlüssige Verbindungen in Betracht. Die Ansteuerung gegenüberliegender Aktoren ist bevorzugt gleichphasig. Bei einer möglichen Variante werden mindestens vier Aktoren (Schwingungserregungselemente) flächig auf jeweils zwei gegenüberliegende Außenflächen der beiden gekoppelten Bereiche, die parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen, montiert. Innerhalb eines Bereiches werden die Aktoren wieder vorzugsweise gleichphasig angesteuert, während die beiden Bereiche gegenphasig angesteuert werden (Phase ist vorzugsweise 180°).Out the previous versions It will be apparent that the bonding devices proposed by the invention and their ultrasonic transducer substantially from the previously known Different designs. Known, in ultrasonic welding usually used transducers are from a vibrator to longitudinal vibrations stimulated, transmitted this at a perpendicular to the direction of vibration tool and stimulate this to bending vibrations. In contrast, the present invention aims to a new arrangement in which the orthogonal orientation of the Tool to the transducer is no longer necessary. Regarding of the moment of inertia and the construction volume can thus achieve an improved design become. Also can be by the use of simple Kör by (z. B. plates, discs simple contour) the manufacturing cost of the transducer reduce and the installation of actuators or vibration excitation elements simplify on the transducer. According to the already described Aspects suggests the invention that the main extension direction, ie the directions the axis of minimum moment of inertia of the transducer, and the tool are identical. The transducer is caused by vibration exciters or vibration excitation elements excited to oscillate, so that for the operating frequency a Vibration forms at the attachment point of the tool performs a substantially rotational movement and thereby the tool excites in a node of its waveform to bending vibrations. When a possibility beats the invention in that the transducer or Transducererkörper in essentially of two coupled areas of a preferably disc-shaped body any Contour and possibly changeable (in particular in the direction of extension stepped) thickness and by means of vibration exciters or vibration excitation elements to longitudinal vibrations is excited, wherein the tool vibrates in the plane of the disc-shaped body. Preferably, at least two actuators (vibration excitation elements) flat in the left or right area on opposite outer surfaces of the transducer, which run parallel to the main extension direction, mounted. A preferred installation is, for example, the sticking of the actuators, basically come here but alternatively or combinative non-positive, positive and cohesive Compounds considered. The control of opposing actuators is preferred phase. In one possible Variant, at least four actuators (vibration excitation elements) flat on two opposite each other Outside surfaces of the two coupled areas parallel to the main extension direction run, mounted. Within a range are the actuators again preferably driven in phase, while the two areas in opposite phase be driven (phase is preferably 180 °).
Im Hinblick auf die Ausrichtung der Haupterstreckungsrichtung und die beschriebene Bauform ist bei dieser Lösung von einem Vertikaltransducer zu sprechen, der zwei gekoppelte Bereiche aufweist.in the Regarding the orientation of the main extension direction and the described design is in this solution by a vertical transducer to speak, which has two coupled areas.
Gemäß einer anderen, auch schon beschriebenen Lösung sieht die Erfindung vor, dass der Transducer aus einem plattenförmigen Körper, der durch den oder die Schwingungserreger bzw. durch Schwingungserregungselemente, die auf zwei gegenüberliegenden Außenflächen parallel zur Längsachse des Transducers montiert sind, zu Schwingungen angeregt wird. Das Werkzeug schwingt, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen aus zwei gekoppelten Teilkörpern gebildeten Transducer, senkrecht zur Ebene des plattenförmigen Körpers. Es besteht die Möglichkeit, auf den Außenflächen in der oberen Hälfte des Körpers zwei Aktoren (Schwingungserregungselemente) zu montieren und diese gegenphasig anzusteuern. Eine Alternative sieht vor, dass vier Aktoren (Schwingungserregungselemente) auf dem Transducer montiert werden, speziell zwei Aktoren auf jeder Seite und dabei je einer in der oberen und in der unteren Hälfte. Die auf einer Seite liegenden Aktoren werden vorzugsweise gegenphasig angesteuert. Daraus folgt, dass jeweils diagonal gegenüberliegende Aktoren zueinander gleichphasig angesteuert werden. Bezüglich dieser Varianten ist im Hinblick auf die Ausrichtung und Bauform von einem einstückigen Vertikaltransducer zu sprechen.According to another solution, which has already been described, the invention provides that the transducer is made to vibrate from a plate-shaped body which is vibrated by the vibration generator (s) or by vibration excitation elements mounted on two opposite outer surfaces parallel to the longitudinal axis of the transducer. The tool vibrates, in contrast to the previously described transducer formed from two coupled part bodies, perpendicular to the plane of the plate-shaped body. It is possible to mount on the outer surfaces in the upper half of the body, two actuators (vibration excitation elements) and to control these in phase opposition. An alternative is that four actuators (vibration excitation elements) are mounted on the transducer, especially two actuators on each side, and one each in the above and in the lower half. The lying on one side actuators are preferably driven in phase opposition. It follows that each diagonally opposite actuators are driven in phase with each other. Regarding these variants, there is a one-piece vertical transducer in terms of orientation and design.
Die Erfindung bietet schließlich auch die Möglichkeit von Kombinationen aus dem Vertikaltransducer mit zwei gekoppelten Bereichen und dem einstückigen Vertikaltransducer. Diese führen dazu, dass das Bondwerkzeug in der Montageebene nicht nur auf einer Geraden, sondern auch auf einer kreisförmigen Bahn schwingen kann und/oder eine weitere Bewegungskomponente senkrecht zur Montageebene erhält.The Invention finally offers also the possibility combinations of the vertical transducer with two coupled Areas and the one-piece Vertikaltransducer. These lead that the bonding tool in the mounting plane not only on one Straight lines, but also can swing on a circular path and / or a further component of motion perpendicular to the mounting plane receives.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Bondverbindungen, vorzugsweise, d. h. nicht notwendig (bspw. ließen sich auch Kunststoffteile oder andere ultraschallverschweißbare Bauteile verbinden), zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten, wie beispielsweise von elektrischen Schaltungen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines Bondwerkzeuges, Bereitstellen eines Ultraschall-Transducers zur Ultraschall-Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges, wobei der Ultraschall-Transducer zumindest einen Schwingungserreger umfasst und der Schwingungserreger zumindest ein Piezoelement aufweist, Bereitstellen einer Ultraschallenergiequelle zur Versorgung des Piezoelements, vorzugsweise einer Spannungsquelle zum Anlegen von elektrischer Wechselspannung an das Piezoelement, und Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges während des Andrücken eines zu bondenden elektrischen Leiters mittels des Bondwerkzeuges auf eine Kontaktstelle.The Invention also relates to a method for the production of bonds, preferably, d. H. not necessary (for example, could be synonymous plastic parts or connect other ultrasonically weldable components), between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates, such as electrical circuits, comprising the following steps: providing a Bonding tool, providing an ultrasonic transducer to Ultrasonic vibration excitation of the bonding tool, wherein the ultrasonic transducer includes at least one vibration exciter and the vibration exciter has at least one piezoelectric element, providing an ultrasonic energy source for supplying the piezoelectric element, preferably a voltage source for applying electrical alternating voltage to the piezo element, and vibration excitation of the bonding tool during pressing of a to be bonded electrical conductor by means of the bonding tool a contact point.
Unter Bezugnahme auf die eingangs erfolgten Ausführungen liegt der Erfindung insofern die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Bondverfahren vorteilhaft weiterzubilden.Under Reference to the above statements is the invention insofar the task is based, such a bonding method advantageous further education.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen in Verbindung mit den Merkmalen gelöst, dass für die Schwingungsanregung des Bondwerkzeuges die Ultraschallenergiequelle, vorzugsweise die Spannungsquelle, vorzugsweise deren Ultraschallfrequenz, so gewählt oder eingestellt wird, dass sich im Betrieb, vorzugsweise beim Anlegen der Wechselspannung, die Hauptverformungsrichtung des Schwingungserregers und/oder die Hauptverformungsrichtung des Piezoelementes quer zu der Polarisationsrichtung des Piezoelementes erstreckt. Zu diesbezüglichen Wirkungen und Vorteilen wird auf die insbesondere den zweiten Erfindungsaspekt betreffenden vorangehenden Ausführungen Bezug genommen.The Task is according to the invention first and essentially solved in conjunction with the features that for the Vibration excitation of the bonding tool the ultrasonic energy source, preferably the voltage source, preferably its ultrasonic frequency, so chosen or is set that in operation, preferably when creating the AC voltage, the main deformation direction of the vibration generator and / or the main deformation direction of the piezoelectric element transverse to the polarization direction of the piezoelectric element extends. For related effects and benefits is concerned with the invention in particular the second aspect previous versions Referenced.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Bondverbindungen, vorzugsweise zwischen elektrischen Leitern aus Draht- oder Bandmaterial und Kontaktstellen von Substraten, wie beispielsweise von elektrischen Schaltungen, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst: Bereitstellen eines Bondwerkzeuges und eines Ultraschalltransducers zur Ultraschall-Schwingungsanregung des Bondwerkzeugs und Schwingungsanregung des Bondwerkzeugs während des Andrücken eines zu bondenden elektrischen Leiters mittels des Bondwerkzeugs auf eine Kontaktstelle.The Invention also relates to a method for the production of bonds, preferably between electrical conductors made of wire or strip material and contact points of substrates, such as electrical Circuits comprising the following steps: providing a Bonding tool and an ultrasonic transducer for ultrasonic vibration excitation of the bonding tool and vibration excitation of the bonding tool during the press an electrical conductor to be bonded by means of the bonding tool to a contact point.
Zur vorteilhaften Weiterbildung eines derartigen Verfahrens schlägt die Erfindung vor, dass in das Bondwerkzeug zu dessen Schwingungsanregung an der Werkzeugaufnahme ein oszillierendes Drehmoment eingeleitet wird, wobei die geometrische Drehachse des Drehmomentes quer zu der Werkzeuglängsachse verläuft. Zur Halterung des Bondwerkzeuges an der Bondvorrichtung bzw. an dem Bondkopf greift die Werkzeugaufnahme vorzugsweise am oberen Ende des Bondwerkzeuges an. Zu dadurch möglichen Wirkungen und Vorteilen wird auf die vorangehenden, insbesondere den dritten Erfindungsaspekt betreffenden Ausführungen Bezug genommen. Das Verfahren kann vorzugsweise so ausgeführt werden, dass das oszillierende Drehmoment am Ort eines Schwingungsknotens des Bondwerkzeuges darin eingeleitet wird.to advantageous development of such a method proposes the invention vor that in the bonding tool to its vibration excitation at the Tool holder an oscillating torque is introduced, wherein the geometric axis of rotation of the torque transverse to the tool longitudinal axis runs. For holding the bonding tool on the bonding device or on the bonding head preferably engages the tool holder at the top End of the bonding tool on. For possible effects and advantages is based on the preceding, in particular the third aspect of the invention relevant statements Referenced. The method can preferably be carried out in such a way that the oscillating torque at the location of a vibration node the bonding tool is introduced therein.
Schon aus den vorangehenden Ausführungen geht hervor, dass zur Energieversorgung des oder der Schwingungserreger zwar vorzugsweise, jedoch nicht notwendig eine Spannungsquelle zu wählen ist. Vielmehr kann als Energiequelle zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen (d. h. als Ultraschallenergiequelle) stattdessen beispielsweise eine oder mehrere Stromquellen oder andere Arten von Energiequellen (bspw. eine magnetische Energiequelle) dienen. Im Rahmen der verschiedenen Aspekte der Erfindung bezeichnet der Begriff Schwingungserreger allgemein einen Träger mit zumindest einem daran angebrachten Schwingungserregungselement, d. h. mit zumindest einem Aktor, wobei der Aktor im allgemeinen eine piezoelektrische Arbeitsweise (in einer Ausführung als Piezoelement) oder eine magnetostriktive Arbeitsweise aufweisen kann.Nice from the previous versions shows that to power the vibrator or the Although preferably, but not necessarily a voltage source to choose is. Rather, as an energy source for generating the ultrasonic vibrations (i.e., as an ultrasonic energy source) instead, for example one or more power sources or other types of energy sources serve (for example, a magnetic energy source). As part of the various Aspects of the invention refers to the term vibration exciter generally a carrier with at least one vibration excitation element attached thereto, d. H. with at least one actuator, the actuator in general a piezoelectric operation (in an embodiment as Piezo element) or have a magnetostrictive mode of operation can.
Die genannten erfindungsgemäßen Verfahren können vorzugsweise unter Verwendung eines Ultraschall-Transducers bzw. einer Bondvorrichtung ausgeführt werden, welcher bzw. welche einzelne oder mehrere der vorangehend und/oder nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist.The said method according to the invention can preferably using an ultrasonic transducer or a bonding device executed whichever or whichever or several of the foregoing and / or features described below.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, welche bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, näher beschrieben. Darin zeigt:The Invention will be described below with reference to the attached figures, which preferred embodiments of the invention show in more detail described. It shows:
Mit
Bezug auf die
Die
Während
Bei
dem in den
In
den
Bei
dem Transducerkörper
In
dem Ausführungsbeispiel
(vgl.
Auch
bei der in den
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.All disclosed features are (for itself) essential to the invention. In the disclosure of the application will hereby also the disclosure content of the associated / attached priority documents (Copy of the advance notice) fully included, too for the purpose, features of these documents in claims present Registration with.
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